Řídí samo. Vyvíjíme vozidlo s vlastními smysly

Část multioborového univerzitního týmu, který se podílí na vývoji autonomně řízené plošiny. Foto: Radek Petrášek

Výzkumný tým TUL složený z vědců a studentů čtyř fakult vyvíjí elektrické vozidlo vybavené vlastním viděním a smysly, jež se dokáže samo pohybovat a vyhýbat překážkám. Autonomní modulární elektrická platforma má najít uplatnění všude tam, kde je třeba speciálních transportních operací a člověku hrozí nebezpečí.

Náročný vývoj běží na TUL čtvrtým rokem. Jeho cílem není vozidlo s autonomním řízením pro běžné silnice. Ale šedesátičlenný mezioborový tým Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace Technické univerzity v Liberci (CxI), Fakulty strojní TUL, Fakulty mechatroniky, informatiky a meezioborových studií TUL a Fakulty textilní TUL se zaměřuje na elektrickou platformu, jež bude pomáhat lidem a zvyšovat jejich bezpečnost při širokém množství činností. Platforma pojede přibližně rychlostí až 30-40 km/h.

Funkční prototyp plošiny s autonomními prvky označený jako Generace 0 se už sám pohybuje a reaguje na překážky. „Tato platforma je určená pro velké haly nebo skladiště. Teď vyvíjíme Generaci 1, která bude jezdit v náročném venkovním terénu. Například na stavbách, v dolech nebo na nezpevněných plochách. Měla by se dát využít i pro inspekci v kontaminovaných oblastech. Naše systémy by se mohly uplatnit i v domácnostech, ale také jako pomocníci handicapovaných lidí,“ popisuje široké možnosti vyvíjené platformy vedoucí výzkumného týmu docent Michal Petrů z CxI, jenž je zároveň vedoucím Katedry částí a mechanismů strojů Fakulty strojní TUL.

Díky vyvinutému software a vlastnímu „myšlení“ je už platforma schopna sama změnit a optimalizovat naplánovanou trasu podle aktuální situace. „Protože je vozidlo vybaveno kromě řady sensorů i unikátním viděním prostřednictvím zařízení mixed reality brýlí, dokáže detekovat prostředí a vyhnout se případným překážkám jako jsou sloupy, boxy nebo lidé, zabránit kolizím a bezpečně se dostat do cílového bodu,“ přibližuje Michal Petrů unikátní řešení.

Špičkový podvozek i »chytré« baterie

Multioborové týmy ze čtyř fakult řeší paralelně několik výzkumných záměrů, jež se u platformy prolínají. Prvním je modulární složení podvozkové části s využitím lehkých kompozitních materiálů doplněných o nanočástice. Zaručí, aby konstrukce byla vysoce pevná, odolná proti dynamickému zatížení i náročným klimatickým podmínkám. Zároveň, aby byla lehká a nesnižovala výkon. „Vytváříme také nehořlavé kompozitní boxy umožňující zvýšenou bezpečnost proti plamenu a adaptivní regulaci teploty pro uložení baterie,“ zmiňuje docent Petrů.

Vědecký tým vedený Robertem Voženílkem z Katedry vozidel a motorů Fakulty strojní a Oddělení vozidel CxI vyvíjí celé hnací ústrojí, jež zahrnuje elektromotory, převodové ústrojí, návrhy podvozku, konstrukci náprav a řízení. Spolupracuje také na programování algoritmů stabilizace jízdy a komunikaci s ostatními komponenty.

Tým kolem Pavla Jandury z Fakulty mechatroniky TUL hledá nejvhodnější akumulátory a systém dobíjení. „Mimo jiné řešíme autonomní možnost dobíjení. A hledáme také způsob, jak články udržet při optimální teplotě. Řešíme i koncept tak zvané zaplavené baterie umožňující velmi rychlý, a přitom rovnoměrný ohřev či chlazení článků,“ říká vedoucí výzkumného týmu Pavel Jandura, který působí na Ústavu mechatroniky a technické informatiky.

Malou zkušební platformu už pohání pokročilé baterie, jež dokáží sbírat data. Velkou baterii tým sestaví do konce roku 2021. „Využíváme impedanční spektroskopii pro zjišťování stavu elektrochemických pochodů uvnitř článků, diagnostiku stavu rozhraní elektrolytu, mobilitu iontů lithia i rychlost difuze pro určení aktuální míry nabití baterie. Jsme schopni sledovat stav vybraných parametrů každého bateriového modulu z hlediska prediktivního servisu,“ vyjmenovává Pavel Jandura.

Vozidlo používá rozšířenou realitu

Klíčový přínos výzkumu spočívá v několikaúrovňovém způsobu řízení. Liberečtí vědci využili jako první na světě pro další pokročilou sensoriku řízení vozidla technologii pro rozšířenou realitu Microsoft HoloLens. Platforma ji využívá pro přesné sledování polohy vozidla v reálném čase nutné pro vlastní adaptivní řízení. Navíc HoloLens napomáhají jednoduše také vzdálenému dohledu vozidla včetně přenosu obrazu a zvuku.

Kromě HoloLens dbají o bezpečnost a orientaci i jiné systémy. Platforma sleduje dráhu, objíždí sloupy a bezpečně se vyhne překážkám i díky přidaným kamerám. Okolí snímají i senzory například lidary. „Senzory posílají signály řádově v milisekundových intervalech. Pokud se cokoliv objeví na naplánované trase, vozidlo okamžitě zareaguje – vyhne se překážce, nebo zastaví,“ líčí člen týmu Jan Kočí, který působí na pozici vedoucí výzkumného směru systémová integrace na CxI. Tým chce jít ale ve vývoji ještě dál. „Nyní řešíme aktuální problém, aby se vozítko dokázalo v reálném prostředí vyhnout překážce i tak, že nejdřív zacouvá a pak se zase rozjede dopředu. Vypadá to jednoduše, ale z hlediska řízení a softwarově to je velmi náročný manévr,“ dodává Jan Kočí.

Vozidlo kromě úrovně 1, tedy funkční bezpečnosti a úrovně 2, což je výpočetní edge vrstva, navíc posílá všechna data do cloudu. V něm se vyhodnocují v reálném čase s využitím principů machine learning, což je řídicí úroveň 3. V cloudu se data podle předdefinovaných algoritmů vyhodnotí a odešlou se zpět, aby vozidlo patřičně zareagovalo. „Vyhodnocená data mohou sloužit také pro prediktivní údržbu. Systém si sám vyhodnocuje, kdy je potřeba zajet pro dobití baterie, že je nutná výměna ložisek, či nějaká jiná údržba,“ sděluje Jan Kočí.

Projekt Modulární platforma pro autonomní podvozky specializovaných elektrovozidel pro dopravu nákladu a zařízení s reg. č. CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_025/0007293 financuje Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR a Evropská unie (Evropské strukturální a investiční fondy - Operační program Výzkum, vývoj a vzdělávání). Projekt začal v roce 2018 a skončí v roce 2022. Do té doby bude modulární platforma plně funkční. Řešitelé projektu však práci neskončí, ale budou se snažit své znalosti a zkušenosti implementovat do průmyslu a dalších projektových činností s obdobnou tematikou.

Adam Pluhař